Методика преподавание физики атомного ядра в средней школе

     Далее сообщают, что в 1932 г. Д. Чедвик открыл новую элементарную частицу — нейтрон, незначительно отличающуюся от протона по массе и не имеющую заряда, что позволило советскому физику Д.Д. Иваненко и независимо от него В. Гейзенбергу предложить протонно-нейтронную модель ядра, общепринятую сегодня. Итак, с современной точки зрения ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Число протонов в ядре того или иного атома определяется порядковым номером Z элемента в периодической системе Менделеева, а число нейтронов равно разности между массовым числом А и числом протонов Z. [10]

     Знакомя с протонно-нейтронной моделью ядра, необходимо конкретизировать ее отдельными примерами и ознакомить с условным обозначением ядер в виде. Например, в ядре гелия Не (порядковый номер 2, массовое число 4) содержится два протона и 2 = 4—2 нейтрона.

     Познакомив  учащихся с процессом распада  нейтрона необходимо рассказать о том, что, хотя свободный протон - частица  устойчивая, внутри ядра (заимствуя  энергию у окружающих частиц) протон может распадаться на нейтрон  и две другие частицы - позитрон и  нейтрино.

     Рассматривая  более подробно свойства протона  и нейтрона, вводят современное представление  о существовании лишь одной ядерной  частицы — нуклона, находящегося в разных зарядовых состояниях: нейтральном (нейтрон) и заряженном (протон), а  это дает возможность объяснить  механизм β-распада, не откладывая на конец курса.

     Еще изучая опыт Резерфорда по рассеянию  α-частиц, учащихся знакомят с такими характеристиками ядра, как заряд и размеры, в этом месте курса физики представляется интересным знакомить школьников с плотностью ядерного вещества. Сделать это нетрудно. Предположим, что ядро состоит из частиц примерно одинакового размера, находящихся на равных расстояниях друг от друга, так что на каждую частицу приходится один и тот же эффективный объем. [10]

     Полезно обратить внимание школьников, что  плотность ядерного вещества всех ядер одинакова. 

     5.2. Энергия связи атомных ядер. Ядерные силы 

     Большое внимание следует уделять понятиям, энергии связи ядра и удельной энергии связи, ибо это очень  важно для объяснения энергетического  выхода ядерных реакций. Чтобы учащиеся поняли лучше вопрос об энергии связи, необходимо напомнить им о потенциальной  энергии взаимодействия (Земли и  тела, электрона и ядра) и рассказать о том, что любые устойчивые системы  частиц обладают энергией связи (например, молекула). Однако лишь в ядрах энергия связи достигает больших значений.

     Энергия связи ядра, по определению, равна  энергии, которую нужно затратить  для расщепления ядра на составляющие его нуклоны без сообщения  им кинетической энергии. Эта же энергия (по закону сохранения и превращения  энергии) выделяется при образовании  ядер.

     Внимание  учащихся обращают на то, что масса  покоя ядра меньше суммы масс покоя  составляющих его нуклонов, т. е. энергия  связи частиц в ядре — величина отрицательная. Однако часто ограничиваются модулем этой величины и подсчитывают ее по формуле: 

     В ходе объяснения материала целесообразно  предложить учащимся самостоятельно рассчитать энергию связи для разных элементов. Для облегчения расчетов надо прежде показать, что дефекту масс в 1 а. е. м. соответствует энергия ≈931 МэВ = = 931*10⁶ эВ. Тогда расчет энергии связи ядра производят довольно просто. Например, для ядра гелия: 

     Δm=(2m_p + 2m_n) - m_я = (2*1,007276 + 2*1,008665) - 4,002600 = 0,029282 а. е. м.

     Этому дефекту масс соответствует энергия  связи: 

     E= 931 МэВ/а.е.м.*0,029282 а. е. м. ≈27 МэВ 

     На  следующем уроке целесообразно  предложить учащимся рассчитать удельную энергию связи некоторых элементов  и убедиться, что в среднем  она равна 8 МэВ/нуклон. Для урана  удельная энергия связи имеет  меньшее значение (примерно 7,6 МэВ/нуклон). Ядра атомов элементов, находящихся  в середине периодической системы  Менделеева (например, криптона), наиболее прочны. Их энергия связи близка к 8,7 МэВ/нуклон.

     Этот  расчет (особенно при наличии микрокалькуляторов) не занимает много времени, если энергия  связи этих элементов была подсчитана на предыдущем уроке, но он способствует уяснению графика зависимости удельной энергии связи от массового числа  и полезен при объяснении устойчивости элементов, находящихся в середине периодической системы.

     При изучении ядра атома необходимо ознакомить учащихся с ядерными силами. Для  облегчения усвоения материала целесообразно  сравнивать ядерные силы с уже  известными электромагнитными и  гравитационными силами. Желательно, называя то или иное свойство сил, указывать, из каких опытных фактов оно вытекает.

     Приведем  план раскрытия этого материала.

     1. Ядро атома, как известно, состоит  из протонов и нейтронов.

     Число протонов в ядре равно порядковому  номеру элемента в периодической  системе Менделеева, и, например, для  урана заряд ядра равен 92 е. Так  как размер ядра очень мал, а кулоновская  сила возрастает пропорционально, то электростатическая сила отталкивания между протонами  в ядре достаточна велика. Между  тем ядра атомов — устойчивые образования. Это и заставляет предположить, что  между нуклонами в ядре действуют  еще другие, ядерные силы, которые  способны преодолеть силу кулоновского отталкивания между протонами. Интенсивность  ядерных сил в 137 раз больше сил  электростатического отталкивания протонов. [8]

     2. Ядерные силы зарядово-независимы, т. е. взаимодействие протона с нейтроном, нейтрона с нейтроном, протона с протоном примерно одинаково. В этом можно убедиться, рассчитав энергию связи трития и изотопа гелия . Первый из них содержит 1 протон и 2 нейтрона, а второй 2 протона и 1 нейтрон, а общее число взаимодействующих нуклонов равно 3 в каждом ядре. Энергия связи трития 8,49 МэВ, а гелия — 7,72 МэВ; разницу в 0,77 МэВ объясняют кулоновским отталкиванием протонов в ядре гелия.

     3. Ядерные силы короткодействующие. Они действуют лишь на малых расстояниях (1,5—2,2)*10^-15 м. При удалении протона из ядра (как только расстояние между ними становится более 4,2*10^-15 м) ядерные силы перестают действовать, протон и ядро взаимодействуют между собой лишь с силой электростатического отталкивания.

     4. Из того факта, что удельная  энергия связи не возрастает  в ядрах пропорционально числу  нуклонов А, следует, что для ядерных сил характерно насыщение, т. е. каждый нуклон взаимодействует лишь с ближайшими «соседями», а не со всеми нуклонами, находящимися в ядре.

     При изучении свойств ядра полезно учащихся ознакомить с капельной моделью  ядра (в ознакомительном плане). Необходимые  для этого знания (короткодействие ядерных и молекулярных сил, свойственное обеим этим силам насыщение, плотность вещества одинакова для всех ядер) школьники получили. В дальнейшем капельную модель ядра можно использовать для объяснения деления ядер (на качественном уровне). 

     5.3. Особенности ядерного реактора как источника теплоты 

     При работе реактора в тепловыводящих элементах (твэлах), а также во всех его конструктивных элементах в различных количествах выделяется теплота. Это связано прежде всего с торможением осколков деления, бета и гамма излучением, а также ядер, испытывающих взаимодействие с нейронами, и, наконец, с замедлением быстрых нейтронов. Осколки при делении ядра топлива классифицируются по скоростям, соответствующим температуре в сотни миллиардов градусов.

     Действительно, Е = mv² = 3RT, где Е - кинетическая энергия осколков; R = 1,38·10^-23 Дж/К - постоянная Больцмана. Учитывая, что 1 МэВ = 1,6·10^-13 Дж, получим 1,6·10^-6 Е = 2,07·10^-16 Т, Т = 7,7·10⁹ Е. Наиболее вероятные значения энергии для осколков деления равны 97 МэВ для легкого осколка и 65 МэВ для тяжелого. Тогда соответствующая температура для легкого осколка равна 7,5·10¹¹ К, тяжелого - 5·10¹¹ К. Хотя достижимая в ядерном реакторе температура теоретически почти неограничена, практически ограничения определяются предельно допустимой температурой конструкционных материалов и тепловыделяющих элементов. Особенность ядерного реактора состоит в том, что 94% энергии деления превращается в теплоту мгновенно, т.е. за время, в течение которого мощность реактора или плотность материалов в нем не успевает заметно измениться. Поэтому при изменении мощности реактора тепловыделение следует без запаздывания за процессом деления топлива. Однако при выключении реактора, когда скорость деления уменьшается более чем в десятки раз, в нем остаются источники запаздывающего тепловыделения (гамма- и бета-излучение продуктов деления), которые становятся преобладающими. Мощность ядерного реактора пропорциональна плотности потока нейтронов в нем, поэтому теоретически достижима любая мощность Практически же предельная мощность определяется скоростью отвода теплоты, выделяемой в реакторе. Удельный теплосъем в современных энергетических реакторах составляет 10² - 10³ МВт/м³, в вихревых - 10⁴ - 10⁵ МВт/м³.

     От  реактора теплота отводится циркулирующим  через него теплоносителем. Характерной  особенностью реактора является остаточное тепловыделение после прекращения  реакции деления, что требует  отвода теплоты в течение длительного  времени после остановки реактора. Хотя мощность остаточного тепловыделения значительно меньше номинальной, циркуляция теплоносителя через реактор  должна обеспечиваться очень надежно, так как остаточное тепловыделение регулировать нельзя. Удаление теплоносителя  из работавшего некоторое время  реактора категорически запрещено  во избежание перегрева и повреждения  тепловыделяющих элементов. [12] 

     5.4. Устройство энергетических ядерных реакторов 

     Энергетический  ядерный реактор - это устройство, в котором осуществляется управляемая  цепная реакция деления ядер тяжелых  элементов, а выделяющаяся при этом тепловая энергия отводится теплоносителем. Главным элементом ядерного реактора является активная зона. В нем размещается  ядерное топливо и осуществляется цепная реакция деления. Активная зона представляет собой совокупность определенным образом размещенных тепловыделяющих  элементов, содержащих ядерное топливо. В реакторах на тепловых нейтронах  используется замедлитель. Через активную зону прокачивается теплоноситель, охлаждающий тепловыделяющие элементы. В некоторых типах реакторов  роль замедлителя и теплоносителя  выполняет одно и то же вещество, например обычная или тяжелая  вода. 

     Схема гомогенного реактора: 1-корпус реактора, 2-активная зона, 3 компенсатор объема, 4-теплообменник, 5-выход пара, 6-вход питательной воды, 7-циркуляционный насос 

     Для управления работой реактора в активную зону вводятся регулирующие стержни  из материалов, имеющих большое сечение  поглощения нейтронов. Активная зона энергетических реакторов окружена отражателем  нейтронов - слоем материала замедлителя  для уменьшения утечки нейтронов из активной зоны. Кроме того, благодаря отражателю происходит выравнивание нейтронной плотности и энерговыделения по объему активной зоны, что позволяет при данных размерах зоны получить большую мощность, добиться более равномерного выгорания топлива, увеличить продолжительность работы реактора без перегрузки топлива и упростить систему теплоотвода. Отражатель нагревается за счет энергии замедляющихся и поглощаемых нейтронов и гамма-квантов, поэтому предусматривается его охлаждение. Активная зона, отражатель и другие элементы размещаются в герметичном корпусе или кожухе, обычно окруженном биологической защитой. 

5. Классификация реакторов

     Реакторы  классифицируют по уровню энергии нейтронов, участвующих в реакции деления, по принципу размещения топлива и  замедлителя, целевому назначению, виду замедлителя и теплоносителя  и их физическому состоянию.

     По  уровню энергетических нейтронов: реакторы могут работать на быстрых нейтронах, на тепловых и на нейтронах промежуточных (резонансных) энергий и в соответствии с этим делятся на реакторы на тепловых, быстрых и промежуточных нейтронах ( иногда для краткости их называют тепловыми, быстрыми и промежуточными ).